消防用ポンプ流量測定装置の開発について

消防科学研究所報 ８号（昭和４６年）
消防用ポンプ流量測定装置の開発について
大 内
茂料
小林芳二郎*
1
.
沼 田
勇治*
堀 井
幸一*
圧力だけは高くなっているがまったく送水していない
流量測定装置の必要性および型式
とLヴ場合もあり，またその状態を確恕することさえ
1
. 必要性
不可能である。
現在，消防ポンプ.車の送水運用は，送水基準板にし
(
4
) 消防用ホースの性能が向上し，送水途中における
たがいポンフ。圧力によって運用している。この運用方
漏水等が皆無に等しくなっている今日，筒先に必要な
法は，以前消防用ホースに漏水 i
生のある麻ホースを使
水量をポンプ圧力に換算して送水することは不合理で
用していた当時にはじまるもので，送水途中における
ある。
析
漏水があったこと，さらにはホースの性能が悪く破 i
以上のような理由により，数年前からすfンプ車用流
する危険が多かったことなどから流量計を利用するこ
量計の開発がさけばれるようになり，当研究室ではこ
とができず，やむを得ず，ポンプと筒先閑におけるホ
れらの要求に応ずるため，昭和3
8年に電圧発生方式の
ースの摩擦損失，漏水量，背圧，落差等を要素として
流量計(消防科学研究所報第 1号 掲 載 〉 を 開 発 し た
必要送水量を復雑な方法によりポンプ圧力に換算し，
が，一部に採用されている程度で現在に至っている。
ポンプ圧力によって運用しているものである。しか
2 開発すべき流量計の型式
し消防用ホースの性能が向上し，送水途中における
昭和38
年に開発した流量計が一般にあまり普及して
漏水や破断が皆無に等しくなっており，また大型放水
いない理由はもろもろのことが考えられるが，最も大
器具，超高層ピ〉レ等の出現により，連合集水運転など
きな理由の一つに製作コストの問題があげられるよう
復雑な送水運用がしいられる今日でも，依然として送
である。このたび開発した流量計は，これらのことを
水基準板による送水運用が行われているところに問題
考慮し，本体をオリフィス式とし，オリフィス前後の
があるように思われる。
差圧を送水量に置換し，これを水銀柱差圧で読む方式
送水基準板による送水運用は，筒先において必要な
とした。その理由は次のとおりである。
水量をポンプ圧力に換算して運用する方法であるが，
(
1
) 他の形式に比較し製作コストが最も安価であるこ
これを今日の複雑な送水運用に比較して検討すると次
と
。
のような欠陥が考えられる。
(
2
) 故障の原因が少ないこと。
(
1
) 送水基準仮による運用は，換算による運用である
(
3
) 永久的に使用できること。
から誤差が多く，筒先における必要水量にみたなかっ
(
4
) 送水量を読むのに水銀柱直読方式を採用したが，
たり，あるいは多過ぎて放水反動力による筒先隊員の
もっと便利な方法がないわけではない。例えば，オリ
事故につながる場合もある。
フィス前後の差圧をプルドン管式差圧計に誘導する方
(
2
) 泡ノズル，高発泡機器等は適正な水量を要求され
法，あるいは水銀柱による差圧を電気的に表示する方
るにもかかわらず圧力のみにたより送水することは，
法など，種々の方法が考えられる。しかし，いずれも
送水量に誤差を生じ発泡機器等の適正な能力を発律す
製作コストを高価なものとし，また故障の原因を多く
ることができない。
するものでもある。したがって最も原始的な方法でも
(
3
) 大型放水器具，超高層ビル等の出現により連合集
あるが，故障原因が少なく，安価でもらり，しかも送
水運転をする機会が多くなりつつあるが，一方のポン
水量を確実に読めるよう水銀柱直読方式としたもので
プ車が適正な送水を欠いたり，極端な場合は，ポンプ
ある。
帥第三研究室長・第三研究室
(5
2)
2
.
第
オリフィスによる送水量測定の理論的分析
戸
ど Rey持o
l
d
sN!ln
b
e
r 限界線との関係
0
.
(
1
. 減量公式
D
.
6
第 i図
‘
。5
(
10
.
+
a
ョ
込用
0
.
2
.
(
)
.
/
/
0
2
0
ヨ
O
RてY明
。/
'
5砂金 1TL6
e'r R
Txlti4
住
が，まず l
汲水側に取付けた場合を考えてみると，水源
ぷ消火殺のごと〈被庄水のときはまらまり影響ないもの
と思われるが，貯水槽のごとく自然水利のような場合
は，ポンプ吸法;側議了ゑ圧?として吸いあげる状態ねなる
ので，オリフィスを取付けたことによって生ずる損失
圧力が，たとえわかであっても級水量に大きく影響
し，ポンプの吸水能力を大きく低下させる原因となり
不適である。そのぷ曽吐織ではに水が水さ
れる状態であるから，オリフィスによる損失圧力は，
第 1図において a 差圧 hを送水量 Qに変換すると
ポンヅ庶力に比較して無視勺きる恕度のものであり，
のとおり℃議》る。
Q=的 aAゾ gて13 55一
〆 )hjρ
倫
ベ 回 目 U
ポンプの性能を低下させるというまでには至らないと
…・(。
濯、われる。したがってオリブイ凡は吐出織に取付ける
Q :送水量 (
nljmin)
流量係数
α=0.597-0.011β+0.4
32s2 ・-…....ー (
2
)
d
.
β =付jD)2
量の際経を少なくするためいは，シボりょと
:オリブィス紙面穣 πd2j4(
I
l
l
'
)
Fの絡をで
きるだけ小さくすべきであるが，反面シポリ比 F
を小
水銀柱差圧の読み (m)
さくすることによって，機うた圧力が大合くなると同時
ρ :測定管路内の水のよと重
に水銀柱用 U字管が長くなると L、う欠陥もある。した
p' 液柱計内の水の比重
し
，
d
jD
)
2
} のi
獲が小さ
スのシぷリ沈 β{綴 l図における (
くなるにしたがし、差圧が大きくなる。したがって送水
ただし β は 0.05~0.7 の範囲
h
べきである合
ね
) オヲフィスの口溢.同一送水量の場台，オリフィ
この議事式(式〕は， ReynoldsNumber
が第 2図に示す限界値より大きい場合に限って適用で
がっ℃ポンプ京事吐出測に交付ける五十リブィスめンボリ
比F
にもおのずと限界があるはずである。
ポ γ プ車出口の内径が時8
m
mでゐる cとから
きるものでらある。 双e
y
n
o
l
d
sNumder ミn f
:t次式で求
B
そ
に取付けるオリフィス口径を第 2図 に 示 す Re
戸 o
l
d
s
められる。
九=ヂ×川
ω
管路内のオえの平均減速 (mjs)
D:管路内径 (m)
水の動粘主主係数〈立総2
j
S
)
2
.オリフィスの取付位置と必要口径
Number限終値から検討すると次のとおりである。
(
1
)
式で示したとおり，シボリ比 βの値を
O
.7以下に
する:必要から，あらかじめオリブィスの口径5
5
m
m，50
m
m，4
5皿の 3種を瀦殺し検討する。ま γ，各オゾフ
スの流量係数とシボワ比 F
の関係を(
2
)式から求めると
第 1 受のとおりである。また，熔 1図にお L
(
1
) 庁リアイスの取付位置.オヲフィスをポンプの吸
内径 Dを6
8
園田とし，送水量 Q と Reynolds Number
Iのいず.れに取付けるかという院議であ
水鉛 9 吐出額J
Rnとの関線沿(
3
)
式によワ求めると第 2 受のとおり
(5
3)
ある。ただし送水すべき水温
o
o
C
.1
0C
. 20Cにおけ
0
0
務総没係数てどそれぞれ. 1
.79X10- 2•
る各 f
…旬以配 j
ごした場合である。
1
.0X
は5801/min以上. s=0.38 (オリフィス口径4
5
m
m
)
では 3201/min以ピむなければならないことを;昔、旅す
るものであるが，それ以下の治水量は測定不能かとい
うとそうではなしただ談去をが生じてくるという
になる。したがっ℃少々い治水量まで正確に測定す
F
55mm
の値が小さい程よいことにな
ためには，シポリ比 F
s
l=(55/68)2=0.66
O
.7
7
8
5
0
m
m
ん =(50/68)2=0.54
0
.
6
6
4
45mm
β3=(45/68)2=0.3
8
0
.
6
1
7
る。さらに第 3図からわかることは，流量浪Ij定の下限
界が水温によっても大きな影響があるということであ
る。また，第 1図において管路の内径 Dを68mmとし各
オリフィス口径 dに対する送水量と水銀柱 hの関係を
(
1)式から求めると鋭品協のとおりである。
n
fj'
ω
0
.
6
10.5XW
0.3
5.2X104
1
.0
24.0XW
0.6
14.5X1
04
な
合6
31
.
1
8
.
仰∞
1
7
φ
o
ワt p U R d A T
1
.0
3
鍛往差圧との関係
凶
1
0
m
m
。
第4
く
j
7
銀
柱
リ万ス
5
0
'
1
'
治0
z
∞
J
:
F三
(側)将
'
10
Q
4
9
.3X1
0.3
4
0
第 2国と第 1表，第 2表を合成し，各シボリ比にお
ける流量測定下限界を求めると第 3図 の と お り で あ
る
。
3
0
2
.
0
み流量測定下限界と
4
0
拠固
H
品
rbd サ
6
5
A
1
0
1
0
第 4図において1.0001/minまで測定可能とするた
めには，水銀柱用 U字管の有効長さが5
5凹φオリフィ
スの場合 3
5
0四
A
It--LI
AUAU
令
-3
4
f
品判明司也市説明1
制
の
事
5
0
温明続調
βdT
t
o
5
0回世の場合 6
0
0
m
m
. 4
5闘世の場合
比
F
O
O
m
mということになる。
1
.O
10
R
o
(
x/
(
f
t
)
一般に消防ボ γ ブ軍事が火災瀦場における吐出口
当りの送水量は紛合 ム仰
0
.
6 0
.
8 /
.
0
Q
.(
官n
r
1
J
li
l
l)
/min程度であるが，
の範囲を正確に澱窓するためには，第 3図からシ
比 βを0
.
3
8以下，なわもオザフィス口径45皿以下
すべきであるが，乙の場合の;水銀柱の有効長さが，
第 3図は，シボリ比 βと流量測定可能な下限界を示
4図から1.0
0
0皿程度ということになり，ポ γ プ車に
したもので，正確に送水量を測定するには，水温2
00C
U字管を取付けることを考えるとあまりにも長すぎて
オリフィス口径5
5
凹〉では
に例をとると，戸 =0.66 C
実用性に欠ける。
8001/min以上， β=0.54 C
オリフィス口径5
0皿〉で
オりフィスの口径を決定するには，以上記述したと
おり U字管の有効長さ，測定範囲および精密度，送水
第 6図 実 験 装 置
時の水温などにより左右されるため，測定方法の理論
的立場のみで口径を決定することは困難であり，実験
値とともに検討する必要がある。
3 装置の構造および実験要領
I オリフィス部の構造
実験装置用として試作したオリフィス部の構造は，
第 5図のとおりである。
第 5図
オリフィス部構造
T
こ
。
2
.実験装置
実験の目的は，オリアイスの適正な口 f
釜を決定する
ことおよび実験値と理論値との差違を確認するために
行うものであり，実験主電車E
は，消防ポンプ車の吐出側
に第 6国のとおり設置した。すなわち，ポンプと吐出
側ボールコックとの聞にオリフィス本体(第 5図に示
すもの〉を取付け，その先端に流量計(プロベラ型電
圧式流量計)，管そうを介してノズルチップを取付け
る。圧力計の取付位置は，ポンプ吐出口およびノズル
務長認の 2ヶ所とし，また水銀柱用 U字管は.オリフィス
本体からコ
γ
ク，透明耐圧ホース(清水を充水したも
の〉を介して 7 リフィス前後の差圧を測定できるよう
にした。
実験要領 t
主導埼:t-yプにより加圧送水し一種のオリア
イスに対し，各送水量におけるポンプ圧力， ノズル圧
力，水銀柱差圧，水銀柱の振れ程度，エンゾン回転数
0mm，4
5皿
，
を測定した。オリフィスの種類は，口径4
5
0四
， 5
5皿の 4種とし， またノスノレは，一種のオリフ
イスに対し各種口径のものを使用した。その理由は，
，
送水量同一にしてノズル口径を変えた場合，水銀柱差
/2
圧に誤差を生ずかどうかをみるためである。なお，第 6
図において，直管と曲管による水銀柱差庄の誤差等を
この装置は，ポンプ吐出側のコック部分にフラ
γゾ
知る必要から曲管においても同様な実験を実施した。
により取付けるものであり，管路はオリフィスを取り
4
.
はずせるようオリフィス分部で分離できる構造とし
た。管路の内径は，ポンプ吐出管の内径が 6
8
m
mである
実験の結果および考察
1
. 送水量と水銀柱差圧の関係
ことからこれと同じとし，オリフィスは，口径40凹
，
ポンプ配管の直管および血管による送水量と水銀柱
45mm，5
0
m
m， 5
5田
園
の 4種を試作した。オリフィスや圧
差圧との関係は，それぞれ第 7，第 8図めとおりでら
1，ほぼ J1Sに従
力取出口等の寸度および仕上度等 1
る
。
J1Sに も と ず く
第 7図によると，オリフィス口径が大きくなるにし
と，オリアイスによる流量測定法では，オリフィス前
たが L、実験値にばらつきを感じられるが，これは前節
後に整流用として相当長さの直管を取付けることにな
でも記述したとおり，オリフィス口径が大きくなるに
って製作したものである。なお，
っているが，消防ポンプ車用の流量計を開発するとい
したがし、精密度を欠くものであるから， しごく当然の
う目的からして，整流用直管を取付けることは構造的
ことである。
な面から実用性を失うことになるのでこれを割愛し
直管と曲管との実験値(第 7図と第 8図〉を比較す
(5
5)
第 7図
(水温
:
:
J
ロ 17
:
I
I
.Df
呈I
G
+
0
H
19.
:
.
w
rX
H
0
;
之
#0
十6.
; Z/!
笠
日.1・・ Z
8
.6
;
水
ると，オリフィス口径 5
0
m
m，5
5
r
n
mともまったく同一線
直管による水銀柱差圧と送水量の関係
上にあり，実験値にほとんど差異がないので，曲管，
1
8C)
0
直管を間わず使用可能であることがわかる。また第
7，第 8図の実験値を第 4図の理論線図と比較する
;
t
.
J
'
々
:
ぇ
50φ
と，これもまたほぼ同一線上にあり，理論値にほほ.合
致するものである。
f
t
I
定下限界は，水温による影響も大きいこ
送水量の浪J
，)I/V
とを第 3図をもとに記述したが，これは，あくまでも送
栓
重
加
水量を測定する方法としての限界値であり，流量針と
}
1
.
して使用する場合必ずしもこれを適用しなければなら
j
ないというものではない。ちなみに実験値を比較する
影響は無視できるとしても，水銀柱直続型のオリフィ
20
オリフィス口径は.計測値の精密度と水銀柱用 U字管
OAVAUAVAMAMAVAU
NT876243
{骨頂
8
'
C，第 8図の実験値は水
と，第 7図の実験値は水温 1
温 7 Cでそれぞれ実験を実擁して得た値であるが，そ
0
の実験値に差異はなく，流量針として使用するには，
多少の誤差はあるとしても水温による影響は抹殺でき
るものと思われる。以上のような理由から水温による
ス式流量計を消防ポンプ車用として実用化する場合の
の長さによって左右されるものである。すなわち』精密
度を要求するならばオリフィス口径を小さくすべきで
ヴ
あり，また多少誤差はあっても U字管の長さを短かく
J
すべきであるというならば口径は大きくなる。消防ポ
字管の長さは取
ンプ車用の流量計として考えると .U
第 8図
“
;~~
曲管による水銀差圧と送水量との関係
(水温 70C)
却
11 創 刊 卵 細w h H M M 仰
氷線絃量氏側
a
ロJ
λ
'
;
t
.
.
"
ル
b川
咋
0
1
"
"
"~
q
ノ'
s
q
4
D
O
卜
)
( ~
2
.0+
"
3
0酔
う。口径を 5
5凹にした場合送水量の測定上限界を L0
0
0
l/minとすれば . U字管の有効長さは，第 7
. 第8
図から明らかなように 3
5
0
m
r
n程度でよいが，測定下限
界はほぼ2001/min程度までとなる。
2
. オリフィスによる損失圧力について
5
凹のものを取付けた場合の送水量
オリフィス口径 5
と損失の関係は第 9図のとおりである。第 9図に示す
エンジン回転数は，本来第 6図で示すところのポンプ
圧力とノズル圧力から算出した損失圧力をもって表示
すべきところであったが，損失圧力がきわめて少な
く，プルトーン管式圧力計により求めることはわl
読に等
しく， したがって測定誤差も大きいので，やむを得ず
誤差が少なく測定できるエンジン回転数をもって表わ
3
D
20
どよいことにもなる。したがって多少の誤差はあった
としてもオリフィスの口径は 5
5皿程度とすべきであろ
6
0
01
-
•
付場所および位置などから当然限界があり，短かいほ
.
.
したものである。
オリフィスを取り付けることによって生ずる損失圧
力は，第 9図からも明らかなとおりほとんどなく測定
誤差の範中にあると考えてもよいくらいである。した
If
J
J
がって口径 5
5皿のオリフィスを取付けることにより
ポンプ性能に影響を与えるというほどのものではな
L
。
、
(5
6)
第 9図
オリフィスによる損失曲線
写真 1 流量計の取付状況
1
3
0
0
1
2
0
0
:
t
.
./
ロ オ
リ7
AスJ¥.
.
X
. 5
5
φオ
リ3
収イ+
~'IJOD
K
M
J
患 900
C
r
p
.
知
)
B
o
o
① オ リ フ ィ ス 部 本 体 ③ 水銀柱用 U 字管
② 差圧取出口
④ 計測用目盛板
7
ω
6
0
0
100
2
0
0 3
0
0 4
0
0 S
司o 6
l
:
t
I
1
基水量 (
.
J
/
m
i
η
J
結ぶ 2本のパイプライン中に含まれている水の凍結防
700
5
. おわりに
止策を講ずるか，あるいはエアーチャンパーを設け水
圧を空気圧に置換する必要がある。
(
3
) 消防ポンプ車を傾斜地に停車させて運用する場合
は.計測値に多少の誤差を生じることが考えられる。
このたび試作した流量E!.a.， ~~ 5図に示すオリフィ
これら細部における諸問題は，今後の研究課題でも
スの口径を 55rn~: とし，当研究所所有の爽齢、用消防ポ γ
あり，また解決して L、かなければならない問題でもあ
プ車に取付け(取付状況な写真 1のとおり〕試験的に
るが，いずれにせよ，安価で保作が簡単であり，しか
運用している段階であるが，その結果もきわめてよく
も故障厳図の少ないオリフィス式の流量計が消防ポン
実用化の械に達するのも間近と考えられる。ただ実用
プ車用として実用可能であることは，試作および実験
化されるにさきだち，現段階で考えられる問題点をあ
の結果から明らかになったものと思うものである。
参考文献
げると次のとおりである。
(文責沼田勇治〉
(
1
) 気温の変化にともなう水銀体積の変化により計測
日本工業規格
J1S B 8
3
0
2
値に多少の誤差を生ずることが考えられる。
機根工学便覧
日本機械学会繍集
(
2
) 寒冷地帯においては，オリフィス本体と U 字管を
水力学，水力機械，草間秀俊著
(5
7)